空化数计算

液氮空化非稳态脱落过程可视化实验研究朱佳凯;王舜浩;余柳;邱利民;张小斌【摘要】搭建了一套液氮非稳态空化可视化实验装置,成功测量得到空化区前后的压力、温度和液体速度;使用高速摄像仪拍摄不同空化数下液氮在文氏管内的空化过程,图像处理得到空化区长度及脱落频率,并基于B因子理论推导得到低温空化体积分数经验计算公式.随着空化数的减小,空化区周期性脱落频率变小,空化区长度、最大温降和气相含量变大.基于空化区长度计算得到液氮空化的斯特劳哈数(St)平均值为0.378,其大于传统水空化的0.2-0.3区间.经分析,液氮较大的韦伯数和气液密度比使得空化区更易于断裂成小空化云团,从而更易于从壁面上脱落,这也和实验现象吻合.%An experimental device was built to visualize unsteady cavitation in liquid nitrogen,the inlet and outlet pressure and temperature of liquid nitrogen were successfully obtained.The shedding processes of liquid nitrogen cavitation in venturi tube were captured by the high-speed camera,the cavity length and cavitation shedding frequency were obtained through imaging processes.A semi-empirical correlation for vapor volume fraction was developed based on B factor theory for cryogenic cavitation.As cavitation number decreases,cavity shedding frequency decreases,but cavity length,maximum temperature depression and vapor content increase.The average Strouhal number(St) based on the cavity length is 0.378,which is larger than the traditional value between 0.2 and 0.3 in traditional water cavitation.By analysis,bigger Weber number and vapor/liquid density ratio of liquid nitrogen make the cavitation zone easyto break into small cavitation clouds,which is consistent with the experimental phenomenon.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】7页(P1-6,16)【关键词】液氮空化;非稳态;可视化;文氏管;热效应【作者】朱佳凯;王舜浩;余柳;邱利民;张小斌【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州310027;浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TB6631 引言空化是指液体流动过程中由于静压降低到饱和蒸气压附近而汽化的现象。

空化数与雷诺数关系的确定空化是流体力学中常见的现象，它是液体或气体在高速流动时，由于压力差导致局部产生低压，进而导致气体或液体从流体中脱离的过程。

空化不仅在水动力学中经常被观察到，在空气动力学中也同样存在。

空化会对流体的运动产生一定的影响，因此对于空化数与雷诺数的关系的研究也成为了流体力学研究中的一个重要问题。

空化数与雷诺数是两个不同的物理量，分别代表了流体力学中的两个不同方面。

空化数描述的是空化现象的发生，而雷诺数则描述的是惯性和黏性在流体中所占的比例。

空化数与雷诺数之间的关系并不直接，因此需要对空化数和雷诺数进行分析和研究，以便确定它们之间的关系。

空化数的定义是根据流体中气体或液体脱离的程度来进行的。

当流体中某一点的压力低于该点周围的液体或气体的饱和蒸汽压时，液体或气体就会从该点脱离。

根据这一现象，我们可以定义空化数为：Cavitation number = (p0 - pv) / (1 / 2 * rho * v^2)其中p0表示当地静水压力，pv表示当地饱和蒸汽压力，rho表示液体密度，v表示流体速度。

空化数的大小与液体或气体的压力差、流体速度和密度等有关。

当流体速度越大、压力差越小，空化数也就越小。

当空化数小于一个临界值时，液体或气体就会出现空化现象。

雷诺数则根据液体或气体在运动中惯性和黏性的相对大小来进行定义。

对于主流方向与横向流动到水管道中的水流，雷诺数的定义是：Re = ρ·vl/μ其中ρ表示水体密度，v表示水流速度，l表示管道的内径，μ表示水的动力粘滞系数。

雷诺数的大小与水流的速度、密度、管道内径和水的动力粘滞系数等有关。

当雷诺数小于一定的阈值时，水流呈现出层流状态；当雷诺数大于一个阈值时，水流会出现湍流状态。

在实际的研究中，一般不会仅仅关注空化现象或者雷诺数。

相反，我们需要研究两者之间的关系以了解它们之间的相互作用。

目前，有大量实验和计算研究表明，空化现象的发生与管道流动状态的稳定性有很大的关系。

空化数详细介绍空化数可是个很有趣的概念呢！一、空化数是什么空化数是一个在流体力学等领域中非常重要的概念哦。

简单来讲，它和空化现象密切相关。

空化现象就是在液体中，当压力降低到一定程度时，液体内部会产生气泡的现象。

而空化数就是用来衡量这种空化现象发生可能性或者说衡量液体中空化状态的一个数值啦。

比如说，在水利工程中，如果水流的速度和压力等条件达到一定情况，就可能产生空化现象，这时候空化数就能派上用场，帮助工程师们去分析这个情况啦。

二、空化数的计算空化数的计算有它特定的公式哦。

它通常是和一些流体的参数有关，像流体的压力、流速还有一些和液体自身性质相关的参数。

不过这个公式有点小复杂，但是别担心，我来给你简单说说。

它一般会涉及到某个参考压力和实际压力的差值，再除以一个和流速相关的量的平方之类的。

具体来说，如果我们知道了流体的初始压力，流动过程中的压力变化，还有流速的大小等这些信息，就可以按照公式算出空化数啦。

就好像我们在做数学题一样，只要知道了题目中的各种条件，就能得出答案。

三、空化数在实际中的应用1. 在船舶领域在船舶的螺旋桨附近，因为螺旋桨的高速旋转，周围的液体压力会发生很大的变化，很容易产生空化现象。

这时候空化数就很有用啦，工程师们可以通过计算空化数来预测螺旋桨周围是否会产生空化。

如果空化数显示可能会产生空化，那就要想办法改进螺旋桨的设计，比如改变螺旋桨的形状或者转速等，这样就能减少空化对螺旋桨的损害啦，不然空化产生的气泡在破裂的时候会产生很强的冲击力，很容易把螺旋桨的表面腐蚀掉呢。

2. 在水利工程方面在大坝的泄洪口，水流速度特别快，压力也有很大的变化。

空化数可以帮助工程师们判断这里是否会发生空化。

如果会发生空化，那就要考虑采取一些措施来防止空化对泄洪设施的破坏，像在泄洪口的内壁加一些特殊的防护材料之类的。

3. 在医学领域你可能想不到吧，空化数在医学上也有应用呢。

比如说在一些利用超声波治疗的设备中，超声波在人体组织中的传播也会引起类似空化的现象。

红花水电站泄水闸平面工作闸门设计（中水珠江设计公司，广东广州）摘要：红花泄水闸工作门属于超大型平板闸门，控泄调度频繁，本文针对闸门及门槽设计方案的选定、闸门结构设计和模型试验等进行了介绍，并对其中所运用的新技术、新材料和新思路进行了论述，为类似工程设计提供参考。

关键词：平面闸门，门槽型式，荷载分配，模型试验1 概述红花水电站位于广西壮族自治区柳江县境内，是珠江流域西江水系柳江综合利用规划确定的柳江干流最下游一个梯级。

电站总体布置由右岸厂房、左岸船闸、中间泄水闸及两岸门库段、土坝等组成。

泄水闸共18孔，主要起挡、泄水作用，最大泄洪流量达44800m3/s。

泄水闸工作闸门采用平面定轮钢闸门，孔口尺寸（宽×高-设计水头）为16m×18m-17.598m，18孔18扇，采用固定卷扬式启闭机操作，一门一机布置。

为了检修闸室、闸门及其埋件，工作闸门上、下游分别设置检修门。

2 泄水闸工作闸门及门槽型式选择红花水电站泄水闸经水工模型试验确定采用开敞式改进机翼堰形式，泄水闸上游校核洪水位（P=0.1%）为91.52m，校核洪水流量为42000m3/s，上游设计洪水位（P=1%）为86.43m，设计洪水流量为32700m3/s，正常蓄水位为77.5m，下游校核洪水位为90.95m，下游设计洪水位为86.05m，下游最低水位为59.79m，堰顶高程60.0m，坝顶高程94.65m。

泄水闸工作闸门设计水头乘孔口尺寸达5068m3，属于超大型闸门，在国内已建同类型工程中，规模位列前茅。

泄水闸运行方式包括18孔全开，18孔均匀开启，8孔均匀开启，5孔均匀开启和4孔均匀开启等方式。

水库流量调度比较复杂，泄水闸工作闸门局部开启控泄频繁，按常规首选门型为弧门，以改善泄流时的水流流态。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-95）5.1.7款规定：露顶式弧形闸门面板曲率半径与闸门高度的比值可取为1.0~1.5；弧门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上；水闸的露顶式弧形闸门，支铰位置可布置在闸门底槛以上2/3H~H处。

高速水流科学名词高速水流是指因流速较高而出现空化、掺气、冲击波、强烈脉动等一种或多种特殊现象的水流。

出现高速水流现象的界限流速，随水流条件、边界条件以及不同特殊现象等因素而变。

空化液体内局部压强降低时，液体中未溶微气泡（空化核）迅速长大而形成空泡的现象。

天然液体中都含有空化核，高速水流可导致液体局部压降而形成空化。

空化状态可用空化数σ描述，其表达式为：式中p∞及υ∞分别为来流压强及流速；ρ为液体密度；pv为相应液体温度下的饱和蒸汽压强。

临界状态时的空化数称临界空化数σcr它又可分为初生空化数σi（未空化过渡到出现空化的临界状态）及消失空化数σd（已空化过渡到空化消失的临界状态)。

临界空化数随流动的边界条件等而异。

对于平顺光洁的边界，临界空化数较小。

当水流的空化数σ与相应流动边界的临界空化数σcr相比较后，即可判明空化是否发生。

σ≤σcr，发生空化；σ>σcr，不发生空化。

水流发生空化后,若下游动水压强升高,则空化消失，空泡溃灭，并形成极高的冲击压强。

若空泡在固体边界附近溃灭,高压冲击招致材料的剥蚀损坏,则称为空蚀。

空化还会招致振动、噪声和机械效率降低等后果。

空化现象于20世纪初最先在船舶螺旋桨中发现，30年代后在高水头泄水建筑物中大量呈现。

在设计高水头泄水建筑物时，要注意避免过低的局部压降而出现空化，可在可能出现的空化区通入空气以缓冲空泡溃灭时的冲击，减免对边界材料的空蚀破坏。

掺气高速明渠水流的水、气界面附近向水体中自动掺入空气的现象。

掺气水流为气、液两相流，常发生在陡槽及溢流高坝的泄流中。

水流掺气的成因，主要有表面波破碎而招致掺气及紊流边界层发展到水面而形成掺气等两种观点。

前者把水流自由表面的掺气看成是波浪现象。

当流速足够大时，导致水流表面波浪破碎，从而卷入空气。

后者认为水流掺气是水质点高度紊动的结果。

由于水流表面的紊动，使水质点的动能足以克服表面张力而跃离水面；水滴下落时卷入的空气，又因水流内部的紊动而挟入水面下一定深度。

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用仪器和其他实验设备测定表征水或其他液体流动及其同固体边界相互作用的各种物理参量，并对测定结果进行分析和数据处理，以研究各种参量之间的关系。

实验的目的是揭示各种水流运动规律和机理，验证理论分析和数值计算结果，为工程设计和建设提供科学依据，以及综合检验工程设计质量和工作状态。

水动力学实验是从观测自然界和工程设施中的实际流动过程开始的，这种观测即所谓原型实验。

进行原型实验，难于分别控制各种参量，而且费用高，有时甚至不可能进行，如一个水利工程或水中航行器在建成前就没有实验对象。

后来，水动力学实验大都是在专门设计的实验室或实验场内用模型进行，这就是所谓模型实验。

实验模型一般比原型小，也有与原型相等或比原型大的。

水动力学模型实验是要研究流体某一流动特性参量同边界形状参量、流体特性参量、作用力参量之间的函数关系。

在水动力学中，有些问题可用理论分析或数值计算方法求解；有些问题因物理现象复杂，基本规律还不清楚，或因边界形状复杂，而只能用实验方法研究。

水动力学实验理论水动力学实验理论包括力学过程的模拟、实验方案的优化、测试系统的设计、实验数据的处理等问题。

以下只论述第一个问题。

力学过程的模拟理论（又称模型理论）是模型实验的理论依据。

模型实验的正确提法，模型实验结果转用到原型上去，都是以量纲分析和相似律为基础的。

水动力学实验主要涉及惯性力(见达朗伯原理)、重力和粘性力。

空化数计算公式
空化数是指一段流体在管道内流动时，流道中间的流速最大，而
靠近管道壁的流速最小，即流速分布不均匀的现象。

这种现象会导致
管道内的能量损失以及流动阻力的增加。

因此，了解和计算空化数对
于设计和运行管道系统至关重要。

空化数的计算公式为：
Ca = Vr / (g*D)
其中，Ca为空化数，Vr为沿管道壁滑动的平均速度，g为重力加
速度，D为管道直径。

空化数的值越大，流体流动越不稳定，管道内的能量损失越高。

在实际应用中，空化数的计算需要考虑多种因素，如流体的密度、黏度、速度、管道形状和壁面光滑度等。

具体的计算方法和公式可以
参考各种流体力学相关的教科书和手册。

在工程实践中，通过合理的管道设计和优化操作条件，可以降低
空化数的值，提高流体的能量利用效率，减少系统的运行成本。

例如，采用光滑的内壁材料、避免管道弯头、减小流速等方法都可以有效地
降低空化数。

除了计算空化数，还需要对管道系统进行性能测试和监测，及时
发现和处理系统中的故障和损失，保证管道系统的安全、可靠和高效
运行。

总之，空化数是流体力学中一个重要的参数，可以反映出管道系统的流体流动状态和能量损失情况。

了解空化数的计算公式和影响因素，采取有效的措施减少空化现象，是保证管道系统运行安全、高效的关键之一。

空化数值模拟文献综述课题研究背景在水力机械的工作系统中，其主要工作介质是不可压缩的水。

由于水质状况、机械结构和部分过流部件的形状以及机械的运行工况等因素，使得介质在流经某些区域时，其整体压力会不断下降。

当温度一定时，当其压力达到饱和蒸汽压力时，就会发生汽化，产生空泡（气泡）；另外，在水中溶解的气体也会不断的析出，形成空泡。

在空泡产生、发展和溃灭的运动过程中,在可压缩的空泡和不可压缩的水间会发生复杂的物理、化学变化，这种现象即为空化[1]。

在工程实践中，通常采用空化数来定量描述空化：一般情形下，空化数越小，空化现象越严重[2]。

如果在水力机械运行中发生空化现象，通常会带来一系列的问题，由于空化的实质是流体的动力学及热力学的联合作用，液体介质的局部液-气相变。

在液体内部一经出现空化，就会破坏液体的连续性，改变液体的水动力特性，并会在固体边壁上诱发空蚀，产生空化噪声及激发机械振动。

另外，在空泡溃灭时，还会产生强烈的振动和噪声，降低水力机械的能头、工作效率及使用寿命[3]。

但是随着科技大发展，对空化现象的应用研究也越来越多。

如可以利用空化产生的噪音和振动去清洗部件；利用空泡溃灭所产生的高温、高压在污水处理中去分解水中的有机混合物等有害物质；而利用通过在水下航行体周围形成的超空化则可以使水下航行体减阻，在这方面前苏联已于1977年成功的研究出了航速达到200节的超空化鱼雷[2]。

由此可见对于空化现象的研究，一方面可以减小水力机械运行中空化产生的可能或尽量减小空化的危害，另一方面则可利用空化在实际应用中产生重大作用。

空化研究进展早在1753年，Euler就指出：当水管中某处的压强降低到负值时，水自管壁分离，而在该处形成一个真空空间，这种现象应予避免。

这是科学家第一次预言液体会发生空化。

19世纪后半叶，由于工业的迅速发展，使得蒸汽机船开始大量使用。

但是人们发现，在螺旋桨转速提高到一定程度后反而出现了船舶航行速度下降的现象。